高頻混壓多層板散熱性能的局限與改善

李 瑛 陳苑明 何 為

（電子科技大學應用化學系，四川 成都 610054）

黃云鐘 張 佳

（重慶方正高密電子有限公司，四川 重慶 401332）趙 麗 付紅志 劉 哲

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 18057）

印制電路板（PCB，Printed Circuit Board）高密度化與內埋有源、無源元器件促使電子產品小型化與多功能化，同時封裝體積縮小與組裝密度增加容易造成電子產品熱量聚集，PCB散熱不良將造成元器件電氣性能的下降甚至損毀[1]-[3]。PCB電路設計常通過沿空氣流動方向均勻分布元器件、分散大功能元件[4][5]，或者將發(fā)熱器件與散熱器緊密連接[6]等途徑提高元器件的散熱性能。但電路散熱設計完善至一定程度后，PCB制造材料與工藝便成為決定電子產品整體散熱效果的重要因素。

高頻PCB可以實現(xiàn)電路的高頻高速性能，但是為了節(jié)省制造成本，高頻PCB的制造方法是在環(huán)氧樹脂玻纖布多層電路板的外層芯板嵌入一小塊高頻板，經過半固化片壓合成型。這種由高頻子板與多層母板混壓制作而成的高頻PCB稱為高頻混壓多層板。高頻混壓多層板的熱量主要集中于高頻子板區(qū)域，因此本文綜述了高頻混壓多層板的散熱局限與改善方法。

1 高頻混壓多層板的熱問題

電子封裝向多端子數(shù)、窄節(jié)距、薄厚度、多層三維立體封裝方向發(fā)展，芯片的三維堆疊封裝受散熱空間的限制，散熱通道急劇擁擠[7][8]；高頻混壓多層板表面安裝大功率元器件后，高頻子板長期保持高溫狀態(tài)，導致元器件內部化學反應與粒子遷移加速，元器件失效率大大提高，直接影響電子產品的可靠性。

高溫對高頻混壓多層板的影響主要有介電材料電性能下降、焊接失效、熱應力效應與熱膨脹問題等。當溫度過高遠遠超過介電材料玻璃轉化溫度（Tg）值時，會導致介電材料熱老化、變脆、斷裂甚至燃燒，致使PCB絕緣性能迅速下降[9]。元器件與PCB組裝依靠焊料金屬間化學化合物（IMC，Inter-metallic Compound）連接，焊點及表面處理區(qū)受高溫條件影響，IMC的結構易因熱疲勞而產生微觀組織變化，化學穩(wěn)定性降低[10]。而且隨著溫度的迅速升高，IMC發(fā)生熱膨脹效應而導致IMC厚度顯著增加，當IMC厚度超過焊點可忍受的范圍時，IMC層脆性增加造成焊接機械強度的下降[11]。熱環(huán)境下PCB材料與芯片熱膨脹系數(shù)差異大，由于熱不匹配產生溫度應力，PCB發(fā)生不可恢復形變導致焊接界面破壞[12]-[14]。

2 高頻混壓多層板散熱局限與改善

PCB散熱的途徑主要有傳導、對流和輻射。傳導是指熱量通過直接接觸的物體從高溫段傳向低溫段，它是固體物質與固體物質間傳導的有效途徑之一。對流是指在發(fā)熱體附近的熱空氣與其周圍的冷空氣之間，由于溫度差而形成的氣體流動，其實質就是通過流動的氣體或液體將熱導體表面的溫度帶走。而輻射是指導熱體依靠射線傳遞熱量，低溫時輻射傳熱很小，導熱體與周圍環(huán)境溫差較大時部分熱量通過交換輻射進行熱疏導。高頻混壓多層板主要散熱途徑是傳導散熱。

2.1 橫向散熱局限與改善

發(fā)熱體系發(fā)生橫向散熱時，其散熱效果主要是由其組成材料的導熱系數(shù)決定的。以下是PCB等效導熱系數(shù)λeq如（1）式，其中，λeq為PCB總的導熱系數(shù)，λi為i層的導熱系數(shù)，hi為i層的厚度，Ai為i層導體圖形的剩余率（對絕緣體剩余率為1），H為PCB總厚度。導熱系數(shù)越大，銅層越厚，導體圖形剩余率越大，總板厚度越薄，則PCB整個的導熱系數(shù)就越高，散熱效果就越好。

高頻混壓多層板除了局部嵌埋的高頻子板需要用到特殊基材外，制作母板結構主要由環(huán)氧樹脂纖維布與銅箔覆合組成。通過增加導體圖形的剩余率提高散熱效果，即增加線寬從而提高橫向散熱效果，這必然使PCB空間尺寸增大，造成內部阻抗不匹配，信號反射增加，從而影響到信號傳輸?shù)耐暾訹15]。因此通過線寬提高散熱的方法看似合理卻不實際。通過減小PCB總厚度來提高散熱效果對于有高密布線及大功率器件的PCB來說，當介層厚度小于一定值時很容易出現(xiàn)介質擊穿、漏電、短路等問題。電子產品的小型化促使PCB設計銅箔厚度最薄化與導體圖形剩余率最大化，高頻混壓多層板依然需要通過環(huán)氧樹脂、玻璃纖維布來實現(xiàn)熱量向外傳輸，而玻璃纖維布導熱效果很難提高，因此通過樹脂改性來增大樹脂的導熱系數(shù)，從而提高散熱效果。在介電材料填充高導熱系數(shù)的無機填料可以提高高頻混壓多層板的有效導熱系數(shù)，已有文獻報導，在環(huán)氧樹脂加入Al2O3

[16]、BN[17]、AlN[18]、ZnO[19]等高導熱系數(shù)的無機填料，可以很大程度提高其導熱性能?；宀牧蠈岣男允歉纳聘哳l混壓多層板橫向散熱性能的有效途徑。

2.2 縱向散熱局限與改善

高頻混壓多層板縱向設計的導通孔可以實現(xiàn)不同層間的電路導通，同時具有縱向傳熱的效果。導通孔的導熱效果受通孔的數(shù)量、大小、孔壁厚度影響。除導通孔外，在電子元器件安裝處周圍專門設計散熱孔來進行熱量傳輸[20]，這種散熱孔的數(shù)量、大小、鍍銅厚度、塞孔百分率及塞孔樹脂類型等因素都影響到局部散熱的效果。散熱孔設計雖然提高了高頻混壓多層板的縱向散熱效果，但是散熱孔設計往往使得PCB工序復雜，費時費力。當散熱孔發(fā)生塞孔質量不佳時，容易產生藏錫珠、氣泡、爆孔等諸多品質問題，在高溫焊接時容易產生失效，對后工序有很大的隱患。過多的散熱孔設計會影響PCB布線，不利于高頻微波板的線路設計。高頻布線要求盡量不使用直角走線，盡量縮短信號傳輸路線，過多散熱孔會影響到布線的優(yōu)化，導致信號傳輸?shù)乃俾氏陆岛桶l(fā)生信號完整性問題。在高頻傳輸線中，除了由電介質損耗造成的傳輸延時，設計散熱孔、過孔及其他背鉆孔也會造成信號延時及損耗，影響到信號傳輸?shù)耐暾浴?/p>

3 其他改善措施

3.1 金屬基覆銅板散熱技術

金屬基PCB是一種專門用來解決散熱問題的特種PCB，是由金屬導熱層、高導熱絕緣介質層和線路銅層組成的[20]。如圖1為金屬導熱層都被夾心埋在兩介電中間形成金屬芯板PCB，而圖2所示為金屬導熱層粘覆在PCB底層形成金屬基PCB。金屬基板采用這種設計，并且通過導通孔傳輸熱量到金屬基層，從而將PCB內部熱量帶到外部環(huán)境。金屬基PCB粘覆了增重的散熱金屬，雖然很好地提高了散熱效果，卻難以迎合電子產品輕巧便攜的要求，但針對通信電源、汽車、電動機等大型終端產品應用的高頻混壓多層板，其局部散熱效果可以得到最大程度的改善。

圖1 鋁基雙面板結構示意圖

圖2 鋁基多層板結構示意圖

3.2 局部埋銅散熱技術

為了適應電子產品小型化的特點，局部埋銅散熱技術是高頻混壓多層板提高散熱效果的另一途徑，這種技術是在電路板中直接壓接銅塊（Press Fit Coin）及埋嵌銅塊（Embed Coin），如圖3所示。散熱埋嵌金屬也逐步向小型化方向發(fā)展。所謂埋銅技術是指在高頻子板的背面縱向埋入局部銅塊再與母板一起混壓，從而實現(xiàn)局部散熱的一種方法，是散熱基板在結構和功能上的創(chuàng)新成果。在高頻混壓板多層板中，為了提高傳輸速率，有射頻線的高頻子板一般都埋嵌在母板的外部層，這樣也便于高頻子板通過表面進行對流散熱。再加上背面埋嵌銅基的縱向導熱，從而很好地實現(xiàn)了高頻混壓板的快速散熱。

圖3 高頻混壓局部埋銅散熱簡示圖

4 結論

與大功率元器件配合使用的高頻混壓多層板容易產生介電材料電性能下降、焊接失效、熱應力效應與熱膨脹問題。本文綜述傳統(tǒng)提高高頻混壓多層板的散熱性能的局限與改善措施，金屬基覆銅板散熱技術與局部埋銅散熱技術是高頻混壓多層板散熱的發(fā)展方向。

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